INVESTIGATION OF CHARACTERISTICS OF ELECTRIC FIELD ARISING FROM ELECTROSTATIC DISCHARGE

Full Text

Введение. Современный КА и его узлы состоят из большого разнообразия материалов, обладающих различными электрофизическими характеристиками. Вследствие их взаимодействия с магнитосферной плазмой возникают локальные области, обладающие различным электрическими потенциалами, между которыми возможны высоковольтные (до нескольких десятков кВ) электростатические разряды (ЭСР), способные индуцировать паразитные токи в цепях оборудования, вызвать деградацию рабочих характеристик материалов и даже привести к их механическому повреждению и выходу из строя блоков аппаратуры. С целью обеспечения стойкости подсистем космического аппарата (КА) и бортовой аппаратуры (БА) к факторам электризации, на этапе наземной отработки проводятся испытания ботовой аппаратуры на воздействие факторов ЭСР, включающие в себя различные виды воздействия, в том числе электромагнитные помехи, емкостные и индуктивные наводки и непосредственное воздействие тока разряда. Характеристики данных воздействий известны [1-4] и соответствуют «худшему случаю» воздействия эффектов ЭСР, зафиксированных в рамках наземных [3] и натурных данных [5]. На сегодняшний день актуальной остается задача исследования характеристик электрических полей в окрестности источника ЭСР, вызванного электризацией диэлектрических материалов КА. Решение данной задачи поможет определить влияние переходных процессов, вызванных ЭСР, на БА и КА в целом, как в условиях натурной эксплуатации, так и в условиях наземной отработки, с целью разработки дополнительных мероприятий по обеспечению стойкости. Тематика изучения воздействия факторов ЭСР на БА КА и КА в целом широко изучена [6-9]. В контексте исследования помеховой обстановки, вызванной протеканием переходных процессов от ЭСР, существует ряд эмпирических моделей [10-14]. Однако процессы изменения электромагнитных полей во время протекания разрядных процессов на конструкционных материалах КА и их влияние на бортовую аппаратуру остаются малоизученными. Влияние электромагнитных полей является одним из важнейших аспектов обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) бортовой аппаратуры КА. В диапазоне частот, характерных для полей и токов от ЭСР (30-1000 МГц), бортовая аппаратура КА может быть восприимчива к электрическому полю [15]. Источником таких полей на борту КА является функционирующая бортовая аппаратура и антенны. При обеспечении ЭМС, ЭСР как источник электромагнитных полей, способных оказать негативное влияние на функционирование бортовой аппаратуры, ранее не рассматривался. Этим и обусловлен интерес к исследованию параметров электрического поля в окрестности источника ЭСР. Экспериментальное определение характеристик полей от ЭСР. Объектом измерения является напряженность электрического поля в излучаемом при ЭСР импульсе от следующих видов воздействий: воздушный искровой разряд, емкостная антенна, токовый делитель, индуктивная антенна. Каждое из воздействий характеризует физический процесс, возникающий при воздействии факторов ЭСР на бортовую аппаратуру, а именно, электромагнитные помехи, емкостные и индуктивные наводки, а также непосредственный электрический разряд на поверхность прибора либо ближайший проводящий элемент конструкции КА. Для имитации «худшего случая» воздействия факторов ЭСР в данной работе использовался генератор электростатического разряда (ГЭР), разработанный специально для проведения мероприятий по наземной отработке бортовой аппаратуры и космического аппарата в целом на стойкость к факторам ЭСР. В качестве регистрирующих устройств использовались «ближнепольный» датчик электрического поля, подключенный к измерительной системе, находящейся в клетке Фарадея, для исключения влияния на нее воздействия факторов ЭСР (рис. 1). Кроме того, для корректной интерпретации получаемых результатов и для построения графического представления результатов изменения поля использовалась система позиционирования, образующая сферическую систему координат вокруг источника ЭСР. Измерения проводились в ряде контрольных точек, находящихся на трех расстояниях от источника ЭСР в различных плоскостях. На рис. 1 представлена общая схема проводимых измерений. Принцип действия ГЭР основан на генерации высоковольтного импульса с фронтом в несколько десятков наносекунд и передаче его через коаксиальный кабель к выносным антеннам, которыми имитируются различные виды помех. На рис. 2 представлена характерная форма импульса тока в режиме короткого замыкания в случае I = 100 А. Для различных типов антенн, характеризующих различные физические механизмы воздействия факторов электростатического разряда, получены результаты измерения электрической компоненты электромагнитного поля в окрестности источника ЭСР. При наборе статистики установлено, что напряженность электрического поля может изменяться не более чем на 20 % от своей величины в одинаковых условиях эксперимента и воздействия. Поэтому для наиболее корректной интерпретации получаемых результатов было проведено порядка 3000 измерений, результаты которых были обработаны с помощью специализированного ПО. Из полученных данных была сделана выборка, характеризующая наиболее типичные значения электрической компоненты электромагнитного поля в окрестности источника ЭСР (рис. 3-5). Установлено, что в процессе протекания разрядного явления, длительностью не более 100 нс, вокруг его источника происходит изменение электромагнитного поля, при этом максимальное значение электрической составляющей электромагнитного поля, установленное в эксперименте на расстоянии 1 см от источника, составляет величину 300 В/м (рис. 3). Данное значение получено во время воздействия токовой инжекцией, при которой ток разряда инжектируется в проводящую заземленную мишень. Примечательно, что данный фактор является наиболее сильным по способности оказывать влияние на работоспособность БА, о чем свидетельствуют результаты широкого ряда наземных испытаний БА на ЭСР [2]. Рис. 1. Схема измерительного оборудования а б Рис. 2. Осциллограммы: а, б - характерная форма импульса Описание: D:\DIR\Docs\=Аспирантура=\2 год (2015-16)\статья\E_токовая инжекция ЧБ.jpgОписание: D:\DIR\Docs\=Аспирантура=\2 год (2015-16)\статья\E_емкостная антенна ЧБ.jpg Рис. 3. Распределение электрической компоненты поля. Воздействие токовой инжекцией Рис. 4. Распределение электрической компоненты поля. Воздействие емкостной антенной Описание: D:\DIR\Docs\=Аспирантура=\2 год (2015-16)\статья\E_воздуш_разряд ЧБ.jpg Рис. 5. Распределение электрической компоненты поля. Воздействие воздушным разрядником При воздействии ёмкостной антенной получено сферически симметричное распределение напряженности, при этом максимум не превышал величины 200 В/м (рис. 4), что может быть объяснено геометрией самой антенны. При воздействии воздушным разрядником (рис. 5), имитирующим электромагнитную наводку, получена наименьшая величина напряженности электрического поля, равная 20 В/м, что характеризует его как наиболее слабый по уровню воздействия на БА фактор ЭСР. Заключение. Полученные результаты характеризует величину напряженности электрического поля в окрестности протекающего разрядного явления. Экспериментальные данные представляют существенный интерес и должны учитываться при проведении работ по обеспечению стойкости к воздействию факторов электризации и электромагнитной совместимости бортовой аппаратуры и космического аппарата в целом. Экспериментальные результаты будут использованы для уточнения существующих моделей воздействия ЭСР на бортовую аппаратуру и бортовую кабельную сеть космических аппаратов.

About the authors

R. E. Tikhomirov

JSC “Information satellite systems” named after academician M. F. Reshetnev”

Email: tikhroman@gmail.com
52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

I. A. Maximov

JSC “Information satellite systems” named after academician M. F. Reshetnev”

52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

D. A. Trofimchuk

JSC “Information satellite systems” named after academician M. F. Reshetnev”

52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

V. V. Ivanov

JSC “Information satellite systems” named after academician M. F. Reshetnev”

52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

E. P. Maslov

JSC “Information satellite systems” named after academician M. F. Reshetnev”

52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

References

Supplementary files